长白山玄武岩CO2矿化封存潜力、注入性与源汇匹配的综合评估

《Journal of CO2 Utilization》：An integrated assessment of CO? mineralization storage potential, injectivity, and source–sink matching in Changbai Mountain Basalts, Northeast China

　　

本研究整合了地质筛选、概率性矿化等效容量密度、解析注入性敏感性分析以及源汇匹配，针对中国东北长白山玄武岩省展开评估。利用深度、厚度、孔隙度、渗透率、水文地质、地热及构造指标对各玄武岩地层进行比较。分析量化了理论容量和筛选级流动性，而钻探、试井及校准后的储层模拟则留待场地确认环节。研究发现，军尖山玄武岩（Junjianshan basalt）是该田区最主要的矿化目标层。蒙特卡洛（Monte Carlo）情景下，容量密度范围为0.137–0.453 Mt CO2 km?2。瞬态两相模拟给出每口井的年注入量为0.006–0.162 Mt CO2 yr?1。碳酸盐沉淀使模拟注入性降低12–36%。源汇筛选结果支持在管道规模化部署之前优先开展先导试验。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

在全球碳中和目标的驱动下，地质碳封存策略正从传统沉积盆地盐水层封存向创新型玄武岩矿化解决方案转变。玄武岩因其高反应活性和广泛分布（覆盖约10%的地球陆地表面及大量洋底），可通过快速碳酸盐结晶实现CO₂的永久封存。冰岛CarbFix项目已成功证明了将溶解于水的CO₂注入玄武岩地层后快速矿化的技术可行性。然而，此类选址标准和评估框架能否迁移至其他具有不同地质、水文及基础设施条件的玄武岩省，尤其是在中国，仍缺乏充分探索。中国东北地区发育多个大型新生代火山场，包括长白山、龙岗和五大连池火山群，其中长白山火山区域拥有最广泛的玄武岩资源，其富含二价阳离子且矿物组成有利，被认为是永久CO₂矿化封存的理想候选区域。但截至目前，针对该区域的系统性综合评估——涵盖地质筛选、容量量化、注入性能及源汇匹配——尚属空白。因此，开展此项研究旨在填补这一知识缺口，为长白山玄武岩的CO₂矿化封存潜力提供首个集成性评估。

二、研究方法概述

研究人员采用了多步骤、多尺度的综合评估方法体系。首先，建立了基于地质和运营指标的选址筛选标准表，用以比较不同玄武岩地层的适宜性。其次，提出了基于碳酸盐占据连通孔隙空间体积的理论矿化等效容量计算模型，并采用蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟（100,000次NumPy实现，随机种子20260825）传播筛选级不确定性，参数包括来自军尖山组（Junjianshan Formation）厚度报告的三角分布（80/100/189 m）、来自CarbFix玄武岩岩心微CT测量的连通孔隙度三角分布（0.0205/0.0487/0.0876），以及来自Wallula现场推断和反应玄武岩测量值的孔隙占有率三角分布（0.009/0.043/0.059）。面积不确定性则通过地球物理调查包络线内的100、200和400 km²三种情景分别传播。第三，采用瞬态单井线源模型评估注入性能，该模型结合压力、时间、区间厚度及两相流度，使用玄武岩类比输入参数，并考虑了碳酸盐沉淀对注入性的影响。第四，进行了源汇匹配分析，将排放源与潜在封存地点进行空间配对。

三、主要研究结果

1. 地质筛选与目标层识别

通过对比长白山区域多个玄武岩地层的深度、厚度、孔隙度、渗透率等指标，研究人员确定军尖山玄武岩（Junjianshan basalt）是该田区最主要的矿化目标层。该地层具备有利的储层性质，如适当的埋深、可观的厚度及良好的裂隙发育条件。

2. CO₂矿化封存容量评估

蒙特卡洛模拟结果显示，军尖山玄武岩的单位面积矿化等效容量密度在P10至P90范围内跨度为0.137–0.453 Mt CO₂ km^?2。在不同面积情景（100、200、400 km²）下，总理论封存容量相应变化，为后续场地选择提供了数量级参考。

3. 注入性能与碳酸盐沉淀效应

瞬态两相流动模拟表明，每口井的年CO₂注入量范围为0.006–0.162 Mt CO₂ yr^?1。更重要的是，碳酸盐沉淀会使模拟注入性降低12–36%，这表明矿化反应虽然实现了永久封存，但同时也会导致近井地带孔隙度和渗透率下降，需要在注入方案设计中予以充分考虑。

4. 源汇匹配与部署策略

源汇筛选结果表明，鉴于当前数据的不确定性以及管道基础设施的缺失，应优先开展先导试验（pilot-first deployment），待验证技术可行性和获取更准确的场地参数后，再推进管道规模化部署（pipeline scaling）。

四、讨论与结论

讨论部分总结：

研究人员的讨论指出，本研究的筛选级分析为后续详细的场地表征和工程可行性论证奠定了基础。容量和注入性估算均基于类比数据和公开文献，存在较大的不确定性范围，这反映了当前阶段的数据局限性。特别是，孔隙度、渗透率及其在反应过程中的演化是控制封存通道和持续注入性的关键因素，需要通过反应性岩心驱替、压力测试及应力-断裂特征描述来进一步约束。此外，地下水受体、保护区、火山灾害、已测绘断层及国际边界被作为空间约束条件处理，凡涉及饮用水泉或矿泉水系统可能连接至目标层位的区域，必须进行水力隔离测试。

研究结论翻译：

本研究对长白山玄武岩省的CO₂矿化封存潜力进行了首次综合性评估。军尖山玄武岩被确定为最具前景的目标层位。其理论矿化等效容量密度在0.137–0.453 Mt CO₂ km^?2之间，而瞬态两相模拟显示单井年注入量为0.006–0.162 Mt CO₂ yr^?1。碳酸盐沉淀预计将使注入性降低12–36%。源汇匹配分析支持采取先导试验优先的部署策略。这些发现为在中国东北部玄武岩区域推进CO₂矿化封存从理论研究走向实际应用提供了关键的定量依据和决策支撑。